CN106872424A

CN106872424A - 基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置

Info

Publication number: CN106872424A
Application number: CN201710013524.8A
Authority: CN
Inventors: 邓璐妍; 杨江; 陈天宇; 靳雪荣; 吴明光
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2037-01-09
Also published as: CN106872424B

Abstract

本发明公开一种基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，包括LED环状光源、圆柱形水样池、荧光探测模块、微控电路模块、外壳和底盖。本发明利用不同浮游植物光合色素的荧光特性，实现了浮游植物在4种波长激发光作用下的活体荧光强度及其叶绿素荧光诱导动力学参数的测量，可以同时反映浮游植物生物量及其生理活性，适用于重点水域富营养状况的实时监测和预警。本发明采用环状光源，兼顾了光源利用率和光照均匀性，主控电路以STM32L151为核心，保证装置能在水下长期高性能地作业，具有可开合的底盖，可实现水下原位采水、克服水体环境光和水流波动的干扰从而提高原位检测的准确性。

Description

基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置

技术领域

本发明涉及浮游植物在线检测技术领域，具体涉及一种基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置。

背景技术

水体富营养化与藻类水华是全球普遍现象，已成为水环境污染的主要形式之一，对生态系统和水功能造成破坏，影响人类生产生活，甚至危及饮用水水质安全。据不完全统计，近年来我国河流湖库水华发生频次从20世纪80年代每年1～2次上升到2000年以后的每年近10次，常见水华藻有：蓝藻占81％，甲藻、绿藻、硅藻各占6％，裸藻占1％，湖泊以蓝藻水华为主，河流藻华则因不同水域而异。面对日益加剧的水环境问题，有关部门高度重视并采取了一系列治理措施。2016年12月11日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面推行河长制的意见》，其中第二条基本原则中提到了要立足不同地区不同河湖实际，实行一河一策、一湖一策；第八条指出要通过建立健全水环境风险评估排查、预警预报与响应机制来加强水环境治理。

目前，我国虽然已经在一些重点流域和敏感水域建立了水质在线监测网络和预警系统，但这些系统以常规水质理化参数为主，缺乏针对藻类水华的监测和预警，而传统的在实验室采用分光光度计、荧光光度计分析或人工计数法存在测量周期长、效率低的问题。因此，亟需发展浮游植物原位在线检测技术，直观、实时地反映敏感水域浮游植物的生长状况，在某些优势藻种种群浓度到达警戒阈值前采取措施，防止发生大规模水华。

现有的浮游植物在线检测技术主要有叶绿素荧光检测技术，利用浮游植物所含叶绿素a受激励光照射能产生荧光且荧光强度与叶绿素a含量相关的原理，通过检测激发荧光强度获得水体中叶绿素a含量从而表征浮游植物生物量。然而，对叶绿素a浓度进行在线监测仅仅获得水体中浮游植物的总体生物量，还有必要针对我国不同水域富营养化的差异性，对不同的优势藻种有针对性的监测。不同浮游植物由于所含光合色素不同，除了都含叶绿素a以外还具有不同的捕光色素，如绿藻的辅助捕光色素是叶绿素b，蓝藻则依靠藻胆蛋白捕光，除含藻胆蛋白的藻和绿藻外的其他藻类，主要依靠类胡萝卜素捕光，因此它们通过吸收不同波段的可见光而产生荧光。基于激发荧光特性的差异，可采用多波长激发光取代单波长激发光，实现浮游植物分类测量。

此外，尽管采用叶绿素荧光检测技术可以对浮游植物生物量进行在线监测，但并不能直接预警水华的发生，还需要考虑环境因素及浮游植物的生理活性，如果环境因素的变化抑制了浮游植物生长，即使浮游植物生物量偏高也不会爆发大规模水华。浮游植物的生理活性可以用光合作用活性来表征。目前主流的测定方法是叶绿素荧光诱导法：利用饱和脉冲法测量叶绿素荧光诱导曲线，获得F_o、F_m、F_t、F_m’、F_S、F_o’等参数，再进一步计算获得最大光化学量子产量F_v/F_m＝(F_m-F_o)/F_m和有效光化学量子产量Y(Ⅱ)＝Φ_PSⅡ＝ΔF/F_m’＝(F_m’-F_S)/F_m’等参数，表征光合作用活性。目前学术界基本达成共识，在健康生理状态下，绝大多数高等植物的F_v/F_m在0.8～0.85之间，藻类中绿藻门一般在0.7～0.75，硅藻门和甲藻门一般在0.65～0.7，蓝藻门因不同蓝藻而异，有研究表明太湖蓝藻的F_v/F_m在0.33～0.53。

现有的典型技术成果如下：

叶绿素荧光检测方面：授权公告号为CN 102095706 B的专利公开了一种浸入式光纤荧光浮游植物测量系统，利用叶绿素荧光检测技术实现了叶绿素a浓度的原位测量，该系统采用单波长激发光源，仅能反映浮游植物总体生物量。

浮游植物分类测量方面：Beutler等人(2002)利用浮游藻类活体叶绿素激发荧光光谱，将浮游藻类分为四大类识别测定，建立了浮游藻群落测定方法；张前前(2004)对中国东海6种藻种分属于4个门类，用三维荧光光谱判别浮游植物种类，能区分金藻、绿藻和硅藻(中肋骨条藻)。上述分类方法依赖于复杂的光谱分析技术，需要丰富的浮游藻类特征荧光谱库、精密的光谱分析仪器的支持，成本高且无法满足现场快速测量的要求。林耿锐(2013)研制了船载式浮游植物多激发波长荧光检测器，并基于非负最小二乘法实现了对蓝藻门、绿藻门和硅藻门的识别，该研究采用抽水泵采水，在船载条件下有一定应用价值；公开号为CN 103616354 A的专利公开了一种藻类浓度原位荧光检测装置，采用多个光纤构成端窗式荧光激发-发射的光路结构，采用流通型水样池，通过测量468nm、525nm、572nm、590nm和610nm波长的激发荧光光谱反演得到多种藻类浓度。以上研究实现了不同浮游植物的分类测量，但仍旧局限于生物量的检测。

测量光合活性方面：公开号为CN 104819968A的专利公开了一种基于叶绿素荧光的浮游植物光合作用监测装置与方法，实现了光诱导荧光动力学过程的快速准确测量从而获得叶绿素荧光参数，该专利采用单波长激发光源，仅对浮游植物总体或特定种类进行检测，且着眼于光合作用检测方法的实现，只给出了光路与电路模块的设计，缺少明确的装置结构，是否适用于原位水下检测存疑。刘晶(2013)设计了以高亮LED和激光二极管为光源的浮游植物光合作用活性原位测量系统，以环境光为光化光，通过测量叶绿素荧光诱导曲线上的F_t和F_m’两个参数值，获得小球藻、铜绿微囊藻和梅尼小环藻的实际光化学效率，其荧光激发光路采用普通的正交结构，激发光源从水样池一端照射。上述专利或论文仅涉及光合作用活性检测，没有与生物量检测相结合。

以上三方面的技术成果都存在功能单一的不足，无法系统、全面地反映浮游植物生长状况，以供藻华预警所需。随着浮游植物在线检测技术的发展，现已有一些功能相对丰富的浮游植物在线检测仪器或装置设计：Phyto-PAM系列浮游植物荧光仪可对蓝藻、绿藻和硅/甲藻进行分类，可自动化测量叶绿素a浓度以及叶绿素荧光动力学参数，该仪器适用于现场测量，具有简单快速、功能丰富的特点，但该仪器为便携式仪器，需要预先配制好水样、人工辅以交互操作来完成测量，一次测量一个水样，难以实现水下任意多个目标位置的快速测量。王志刚等人(2007)利用叶绿素a离散激发荧光光谱，研发了蓝藻、绿藻和褐藻分类测量方法与系统，实现原位测量，该装置采用空心流通型水样池，水样随水体时刻变化，存在水流波动的干扰，难以长期连续监测。

综上所述，目前尚缺乏可以同时测量浮游植物生物量和浮游植物生理活性的、适用于多种水华藻类的、可直接在水下原位检测的浮游植物在线检测装置。此外，现有的用于野外测量的浮游植物荧光检测装置一般需要将水样采到岸上测量，无法充分保证浮游植物的原位生长环境，且大多需要人工交互操作而非全自动化测量，而采用流通型水样池的水下荧光检测装置则存在水流波动干扰；另一方面，现有技术中激发光源一般采用LED阵列从水样池一端照射，这种光源布置方式只能在靠近光源侧的有限照明距离内产生均匀光照，难以兼顾光源利用率和光照均匀性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，可以同时对浮游植物生物量及其生理活性进行原位在线检测且适用于多种水华藻类。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，包括LED环状光源、圆柱形水样池、荧光探测模块、微控电路模块、外壳和底盖；

所述LED环状光源包括3个环状光源带，沿圆柱形水样池轴向环绕布置在圆柱形水样池侧壁外侧，各环状光源带所在平面与圆柱形水样池底面平行，每个环状光源带都包含多组不同波长的LED灯组；

所述圆柱形水样池位于所述浮游植物原位在线检测装置的底部，其侧壁设有若干个用于透过激发光的光学窗口Ⅰ，与所述LED环状光源的LED灯对应，每个光学窗口Ⅰ与相应的LED灯之间设有窄带滤光片，所述圆柱形水样池下底面开口，上底面设有用于透过荧光的光学窗口Ⅱ，上底面边缘还设有与装置外部连接的导管；

所述荧光探测模块置于所述圆柱形水样池的正上方，与所述光学窗口Ⅱ相对，所述荧光探测模块包括带通滤光片、聚焦透镜和光电探测器；

所述微控电路模块置于密闭箱体内，包括电源电路、MCU主控电路、恒流驱动电路、信号处理电路和通信电路，其中，MCU主控电路负责控制其余电路协同工作、处理测量数据并进行计算；恒流驱动电路接收MCU主控电路发送的脉冲控制信号，驱动所述LED环状光源产生光强可调、波长可选的激发光；信号处理电路对荧光探测模块光电转换后的电流信号进行前置放大、选频带通滤波、二级放大、整流、低通滤波以及模数转换，再将表征荧光强度的数字信号传送给MCU主控电路；MCU主控电路对测量结果进行分析处理；通信电路将MCU主控电路计算结果传给外部数据采集设备；

所述外壳为密封外壳，外壳底部开口并匹配有底盖；所述底盖包括与其配合的联动装置，所述联动装置包括电动推杆、滑块和固定杆，所述电动推杆固定在所述微控电路模块所在的箱体上并与其电连接，所述电动推杆的伸缩轴竖直向下与所述滑块螺合，所述滑块通过固定杆与底盖相连。

本发明装置各模块的补充说明如下：

(1)LED环状光源

为了实现对蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻和裸藻这些我国常见水华藻的检测，根据不同藻类对不同波长激发光的吸收和荧光响应程度的差异性，优选地，所述LED环状光源的每个环状光源带均各自包括4种可选激发波长的LED灯组，4种可选激发波长分别为440nm、475nm、525nm和620nm，分别对应叶绿素a(浮游植物总体指示型色素)、叶绿素b(绿藻门指示型色素)和类胡萝卜素(硅藻门、甲藻门、褐藻门、裸藻门和隐藻门的指示型色素)和藻蓝蛋白(蓝藻门指示型色素)这4种活体光合色素的特征吸收波长。

为了提高激发光源的均匀性和稳定性，作为优选，每种波长的LED灯组至少由3个LED灯在所在环状光源上等间距排列组成，构成中心对称的稳定光源，在所述圆柱形水样池的中心区域形成均匀光照，提高了光源利用率。

所述LED环状光源的3个环状光源带从上至下依次为第一环状光源、第二环状光源和第三环状光源，所述第一环状光源上的LED灯组为普通LED灯组，提供多波长的光强较弱的调制测量光，测量光光量子通量密度要求小于1μmol/m²/s；第二环状光源上的LED灯组为超高亮LED灯组，提供多波长的用于荧光诱导的光化光，光化光光量子通量密度要求200～2000μmol/m²/s；第三环状光源上的LED灯组为超高亮LED灯组，提供多波长的高强度的饱和脉冲光，饱和脉冲光光量子通量密度要求大于6000μmol/m²/s。

由于浮游植物在不同波长激发下产生本底荧光所需的光强阈值不同，同时不同波长LED光源具有不同的发光特性，因此，要使激发荧光强度能与浮游植物生物量对应，且荧光强度范围与探测模块的响应范围匹配，同时使不同波长的LED都能产生满足要求的光量子通量密度，那么就要求所述LED环状光源激发作用光的光强可调。优选地，所述第一环状光源上的每个LED灯利用脉宽调制技术(PWM)实现其提供的测量光光强可调，保证各波长测量光不产生色谱偏移；所述第二环状光源上的每个LED灯利用脉冲幅度调制技术(PAM)实现其提供的光化光光强可调；而第三环状光源由于要提供高强度的饱和脉冲光，其每个LED灯均由发光二极管阵列组成，控制发光二极管数量并结合脉冲幅度调制技术(PAM)以实现其提供的饱和光光强可调。

进一步优选，所述第三环状光源上的每个LED灯所需的发光二极管个数由以下公式计算获得：

式中，683表示光谱光视效能最大值，lm/W；V(λ)为λ波长光的视见函数；N_A为阿伏伽德罗常量；h为普朗克常数；c为真空中光速；PPFD_总为第三环状光源上λ波长的LED灯组总的光量子通量密度，该值由所需饱和光的最大光强确定；m为第三环状光源上λ波长的LED灯组包含的LED灯个数；E为单个λ波长的发光二极管所能提供的光照度，可由照度测试仪测定。

(2)圆柱形水样池

为了滤除可能通过导管进入水样池内的杂散光，作为优选，所述圆柱形水样池上底面边缘的导管管壁涂黑。

所述圆柱形水样池下底面开口作为水样流通口，所述导管通过外壳侧壁的孔道与装置外部连通，作为排气口和辅助水样流通口。

(3)荧光探测模块

所述荧光探测模块用于接收浮游植物水样产生的与调制测量光同频的荧光信号，荧光信号经带通滤光片滤波、聚焦透镜聚焦后由光电探测器转换为电流信号。

为了避免激发光源反射光以及水样中杂散光对荧光强度的影响，实现对多波长激发荧光快速、可靠的检测，优选地，采用响应速度快、频带宽、灵敏度高、暗电流低的硅PIN光电二极管作为光电探测器；由于浮游植物通过不同捕光色素吸收不同波长激发光后，都是由反应中心的叶绿素a产生荧光，荧光波段在660nm～700nm之间，主要是685nm左右，因此选择中心波长为685nm、带宽为40nm的带通滤光片，以保证各波长的激发荧光通过，而对激发光波段和水样杂散光截止。

(4)微控电路模块

为了使本发明能在水下原位保持高性能地长期作业，作为优选，所述微控电路模块中，MCU主控电路采用STM32L151作为主控芯片，STM32L151主控芯片的ARM Cortex-M332MHz处理器可以快速处理各种计算、高效进行控制，其超低功耗的特性适用于长期连续的水下原位检测，其自带高达4K字节的EEPROM，可以用于预存计算所需的荧光特性数据和浮游植物生物量与荧光强度对应关系表格、存储中间过程参数、以及存储最终结果，而无需外加数据存储电路。

为了驱动所述第一、第二、第三LED环状光源产生光强可调的测量光、光化光和饱和光，作为优选，所述微控电路模块中，恒流驱动电路采用MAX16823作为LED驱动芯片，MAX16823具有3个亮度调节(DIM)输入，每个通道可实现独立的PWM调光以及输出通/断控制，对应3个独立的恒流输出通道，每个通道可为一列或多列高亮度LED提供5～70mA可调的恒定输出电流，采用外部BJT时可高达2A，完全可以满足所述3个LED环状光源的不同驱动要求；此外，MAX16823还具有LED开路检测功能，可以保证LED环状光源的可靠性。

本发明中，测量结果的分析与计算由所述微控电路模块中的MCU主控电路实现，作为优选，所述MCU主控电路将各激发波长对应的荧光强度与预存的不同浮游植物荧光特性数据进行比较，分析所测水域浮游植物分布状况，然后查询预存的浮游植物生物量与荧光强度对应关系表格，计算浮游植物生物量，再根据叶绿素荧光诱导曲线测量过程中获得的基础参数，按照叶绿素荧光参数计算公式，计算光化学效率相关参数，表征其生理活性。

(5)外壳与底盖

所述外壳为密封外壳，防水耐腐蚀，外壳的顶部与侧壁均密封设计，所述微控电路模块、荧光探测模块、圆柱形水样池由上至下依次固定在所述外壳内；所述外壳底部开口并匹配有底盖，顶部设有电缆接口、绳扣和螺孔；所述电缆接口通过防水电缆与外部电源相连；所述绳扣和螺孔用于固定与安装所述浮游植物原位在线检测装置。

所述底盖中心向上凸起且凸起大小与所述圆柱形水样池下底面开口匹配，在底盖闭合时凸起部分嵌入所述圆柱形水样池底部并通过密封胶圈胶合。

本发明采用可开合的底盖实现原位采水及测量，作为优选，由所述MCU主控电路控制所述电动推杆上下伸缩，带动滑块、固定杆和底盖上下联动，实现底盖开合。底盖打开，圆柱形水样池下底面被打开，与位于圆柱形水样池上底面边缘的导管形成水流通路，实现对目标测量点自动采水；底盖闭合则圆柱形水样池下底面被关闭，避免环境光和水流波动对测量过程造成干扰。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)基于叶绿素荧光检测技术和叶绿素荧光诱导动力学理论，实现浮游植物生物量和浮游植物生理活性两项指标的检测，全面反映浮游植物的生长状况。

(2)采用环状布置的激发光源，与现有技术采用从水样池一端照射的光路结构相比，能在水样池中心区域形成稳定、均匀的高强度光照，提高了光源利用率。

(3)采用多波长激发-单探测器检测的方法，利用不同浮游植物所含光合色素的激发荧光特征，实现对我国几种常见水华藻的原位在线检测，满足对水华频发的重点水域进行长期连续在线监测的需求。

(4)采用STM32L151作为主控芯片，该芯片高性能的处理器和超低功耗的特性使本发明能在水下长期高效地作业，且其自带高达4K字节的EEPROM，可以用于预存计算所需的荧光特性数据和浮游植物生物量与荧光强度对应关系表格、存储中间过程参数、以及存储最终结果，而无需外加数据存储电路，从而简化微控电路模块。

(5)采用可开合的底盖实现原位采水及测量，底盖打开与水样池上底面辅助导管配合形成水流通路，可使水样池中的水样随着装置的移动而同步更新，相比于用泵抽取水样的方法更快速便捷且不会改变浮游植物原位生长环境；底盖闭合可使水样与外部水环境隔离，相比于现有水下荧光检测装置采用流通型水样槽的方法，克服了环境光和水流波动对测量过程的干扰。

附图说明

图1是本发明浮游植物原位在线检测装置的内部结构示意图；

图2是本发明浮游植物原位在线检测装置的外部结构示意图；

图3是本发明浮游植物原位在线检测装置的底盖及其联动装置的结构示意图；

图4是本发明实施例中单个环状光源的结构示意图；

图5是本发明实施例中单个LED灯组(3个相同波长的LED灯)作为激发光源的光照示意图；

图6是本发明实施例中测量光路原理的示意图(图中仅画出1个LED灯以作示意)；

图7是本发明实施例中恒流驱动电路的原理图。

具体实施方式

如图1～3所示，本实施例的基于光合色素荧光的浮游植物原位检测装置，包括LED环状光源1、圆柱形水样池2、荧光探测模块3、微控电路模块箱体401与402、外壳5和底盖6；

LED环状光源1包括3个环状光源带，沿圆柱形水样池轴向环绕布置在圆柱形水样池侧壁外侧，从上至下依次为第一环状光源101、第二环状光源102、第三环状光源103，各环状光源带所在平面与圆柱形水样池2底面平行；

第一环状光源101、第二环状光源102和第三环状光源103都各自包含多组不同波长的LED灯组，其中，第一环状光源101提供多波长的调制测量光，第二环状光源102提供多波长的光化光，第三环状光源103提供多波长的饱和脉冲光；

圆柱形水样池2位于本实施例装置的底部，其侧壁设有36个用于透过激发光的光学窗口901，其底部开口7作为水样流通口，其上底面设有用于透过荧光的光学窗口902，上底面边缘还设有与本实施例装置外部连通的导管8，作为排气口和辅助水样流通口且管壁涂黑，侧壁底部有密封胶圈；

荧光探测模块3置于圆柱形水样池2的正上方，用于接收浮游植物水样产生的与调制测量光同频的荧光信号；

微控电路模块，包括电源电路、MCU主控电路、恒流驱动电路、信号处理电路和通信电路，其中恒流驱动电路、信号处理电路置于靠近圆柱形水样池2的Ⅰ号密闭箱体401内，而电源电路、MCU主控电路和通信电路置于本实施例装置上部的Ⅱ号密闭箱体402内，Ⅰ号密闭箱体401与Ⅱ号密闭箱体402通过导线10电连接且都固定在防水耐腐蚀的外壳5的内壁上。

外壳5防水耐腐蚀，顶部与侧壁均密封设计，有效保护所述浮游植物原位在线检测装置的内部模块，微控电路模块箱体401与402、荧光探测模块3、圆柱形水样池2与LED环状光源1由上至下依次固定在外壳5内；外壳5底部开口并匹配有底盖6，顶部设有电缆接口11、绳扣和螺孔，电缆接口11通过防水电缆与外部电源相连，当选择串口通信模式时，电缆接口11通过防水电缆还需与外部数据采集设备连接，绳扣和螺孔用于本实施例装置的固定与安装；防水耐腐蚀的外壳5侧壁下方设有一小孔12，用于引出圆柱形水样池的导管8。

可开合的底盖6还包括与其配合的联动装置，联动装置包括可伸缩的电动推杆13、滑块14和固定杆15，电动推杆13固定在Ⅱ号密闭箱体402上并与其电连接，电动推杆13的伸缩轴竖直向下与滑块14螺合，滑块14与其下方的底盖6通过固定杆15连接，滑块14上开有小孔16使导线10穿过，固定杆15共有4根，竖直放置且围绕圆柱形水样池2均匀布置，其下端固定在底盖6的边缘，底盖6大小与外壳5底部的开口匹配，底盖6中心圆形区域17相对于底盖边缘向上凸起且其大小与圆柱形水样池2的下底面开口7匹配，凸起的圆形区域17在底盖6闭合时嵌入圆柱形水样池2底部并通过密封胶圈胶合，电动推杆13受Ⅱ号密闭箱体402内MCU主控电路的控制上下伸缩，带动滑块14、固定杆15和底盖6上下联动，实现底盖6的开合。

各模块的补充说明如下：

如图1、图4、图5所示，LED环状光源1中，第一环状光源101、第二环状光源102和第三环状光源103都各自包含四组波长分别为440nm、475nm、525nm和620nm的LED灯组1801～1804，其中，第一环状光源101的LED灯组为普通LED灯组，提供调制测量光，第二环状光源102和第三环状光源103的LED灯组为超高亮LED灯组，分别提供测量浮游植物叶绿素荧光动力学参数所需的光化光、饱和光。每种波长的LED灯组均由3个该波长的LED灯构成，LED灯在其所在的环状光源上沿环带19等间距交叉均匀排列，以任意环状光源环带上波长为440nm的LED灯组1801为例，3个波长为440nm的LED灯在环带19上两两间隔120°呈等边三角形排列，在圆柱形水样池中心区域形成稳定、均匀的激发光照，其光照示意图如图5所示。

图6为本实施例的测量光路原理示意图，环状光源上的单个LED灯20与圆柱形水样池2侧壁的其中1个光学窗口901之间设有与该LED灯波长对应的窄带滤光片21，激发光经滤波之后通过光学窗口901射入圆柱形水样池2中；荧光探测模块3正对圆柱形水样池2上底面的光学窗口902，与激发光路垂直，荧光探测模块3沿着竖直方向的荧光发射光路依次设有中心波长为685nm、带宽为40nm的带通滤光片22、聚焦透镜23和光电探测器24，本实施例采用硅PIN光电二极管作为光电探测器24，其具有响应速度快、频带宽、灵敏度高、暗电流低的优点。

如图1所示，Ⅱ号密闭箱体402中的MCU主控电路是控制与运算核心，采用STM32L151作为主控芯片，控制本实施例中的其余电路协同工作、以及处理测量数据和进行计算；电源电路为本实施例中的其余电路供电；Ⅰ号密闭箱体401中的恒流驱动电路采用MAX16823LED驱动芯片，接收Ⅱ号密闭箱体402中的MCU主控电路发送的脉冲控制信号，驱动环状光源1分时产生光强可调、波长可选的激发光；信号处理电路对荧光探测模块3光电转换后的电流信号进行前置放大、选频带通滤波、二级放大、整流、低通滤波以及模数转换，再将表征荧光强度的数字信号传送给Ⅱ号密闭箱体402中的MCU主控电路，MCU主控电路将各激发波长对应的荧光强度与预存的不同浮游植物荧光特性数据进行比较，分析所测水域浮游植物分布状况，然后查询预存的浮游植物生物量与荧光强度对应关系表格，计算浮游植物生物量，再根据叶绿素荧光诱导曲线测量过程中获得的基础参数，按照叶绿素荧光参数计算公式，计算光化学效率相关参数，表征其生理活性；Ⅱ号密闭箱体402中的通信电路提供但不限于无线通信和串口通信两种通信模式，将经过MCU主控电路的计算结果传给外部数据采集设备。

如图7所示，本实施例的微控电路模块中，STM32L151主控芯片25的引脚37～39与MAX16823LED驱动芯片26的引脚1～3相连，STM32L151主控芯片25的3个PWM波输出通道发出控制信号到MAX16823LED驱动芯片26的3个调光(DIM)输入通道，使每个通道实现独立的调光以及输出通/断控制，MAX16823LED驱动芯片26的引脚14～16为对应的3个输出通道，驱动LED环状光源；其中，输入通道DIM1为频率一定的脉宽调制(PWM)控制信号，输出通道OUT1提供5mA～70mA可调的恒定输出电流，驱动第一环状光源，实现测量光可调；输入通道DIM2为脉冲通断控制信号，输出通道OUT2外接BJT Q1，驱动第二环状光源，调节供电电压V_IN和检流电阻R_CS2阻值实现电流脉冲幅度调制(PAM)，从而实现光化光可调，最大电流可达2A；输入通道DIM3为频率一定、脉宽一定的脉冲控制信号，输出通道OUT3外接BJT Q2，驱动第三环状光源，调节供电电压V_IN和检流电阻R_CS3阻值实现电流脉冲幅度调制(PAM)，从而实现饱和光可调，最大电流可达2A；MAX16823LED驱动芯片26中其它引脚的电气连接关系、外围元件设计如图所示，对此不展开论述。

微控电路模块中的信号处理电路和通信电路属本领域公知，可采用已有技术实现，故提及，但不展开论述。

本实施例中，为了使饱和光光强得到保证，除了采用MAX16823驱动芯片实现调光，同时，第三环状光源上的每个LED灯由发光二极管阵列组成，每个LED灯所需的发光二极管个数由以下公式计算获得：

式中，683表示光谱光视效能最大值，lm/W；V(λ)为λ波长光的视见函数；N_A为阿伏伽德罗常量；h为普朗克常数；c为真空中光速；PPFD_总为第三环状光源上λ波长的LED灯组总的光量子通量密度，该值由所需饱和光的最大光强确定,本实施例中饱和脉冲光的光量子通量密度达6000μmol/m²/s以上，取PPFD_总为6000μmol/m²/s；m为第三环状光源上λ波长的LED灯组包含的LED灯个数，本实施例中m即为3；E为单个λ波长的发光二极管所能提供的光照度，可由照度测试仪测定。

以波长为440nm的LED灯组为例，视见函数V(λ)值为0.023，选取发光二极管光照度E约为4500lux，计算可得n约等于1.9，取为2，即第三环状光源上每个440nm的LED灯(共3个)由2个发光二极管组成。

针对本实施例的浮游植物原位在线检测装置，下面提供一种浮游植物原位检测的测量方法，以便对本发明充分理解，但不限于以下步骤：

(1)将装置浸入目标水体，启动装置，装置底盖打开，水样池底部开口与上底面辅助导管形成水流通路，实现对目标位置原位采水，并且水样池中的水样随着装置移动而同步更新；

(2)探测不同波长激发光作用下的活体荧光：底盖关闭，暗适应10分钟，打开第一环状光源，依次产生440nm、475nm、525nm、620nm波长的调制测量光，调制频率为2kHz，每种波长测量光持续5s(保证LED充分预热并稳定工作)，依次检测与调制测量光同频的激发荧光信号；

(3)获取浮游植物生物量：先将各激发波长对应的荧光信号处理为荧光强度值，与预存的不同浮游植物荧光特性数据进行比较，结合相关分类算法分析所测水域优势藻种，然后根据相应的浮游植物生物量与荧光强度对应关系，计算浮游植物生物量，对于与预存数据匹配度很低的测量结果，无法明确分析出优势藻种，则仅计算浮游植物总体生物量；

(4)按照常规的饱和脉冲法测量叶绿素荧光动力学曲线，获得F_o、F_m、F_S、F_m’4个荧光参数：具体地，底盖闭合且所有环状光源关闭提供暗适应条件，第一环状光源提供波长为440nm、调制频率为2kHz、光量子通量密度小于1μmol/m²/s的调制测量光，第二环状光源提供波长为440nm、连续的光化光进行诱导，持续约6分钟，第三环状光源提供波长为440nm、光量子通量密度大于6000μmol/m²/s的440nm饱和脉冲光，脉宽约1.2s；

(5)如果步骤(3)中未明确分析出优势藻种，则直接转步骤(6)；如果步骤(3)中分析出优势藻种，则查询预存数据，选择该优势藻种在除440nm(叶绿素a特征吸收波长)外激发荧光最强的特征波长λ_优(475nm、525nm或620nm)，按步骤(4)的方法，测量在波长为λ_优的测量光、光化光与饱和光作用下的叶绿素荧光动力学曲线，同样获得F_o、F_m、F_S、F_m’4个荧光参数；

(6)获取浮游植物光合作用活性：根据步骤(4)、(5)测量获得的F_o、F_m、F_S、F_m’，计算获得PSII最大光合效率(F_m-F_o)/F_m和PSII实际光合效率(F_m’-F)/F_m’，分别表征浮游植物最大光合作用活性、浮游植物实际光合作用活性；对于明确优势藻种的情况，需要先将所测的两组荧光参数加权平均后再计算。

Claims

1.一种基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，包括LED环状光源、圆柱形水样池、荧光探测模块、微控电路模块、外壳和底盖；

2.根据权利要求1所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，所述LED环状光源的每个环状光源带均各自包括4种可选激发波长的LED灯组，4种可选激发波长分别为440nm、475nm、525nm和620nm，每种波长的LED灯组至少由3个LED灯在所在环状光源上等间距排列组成，构成中心对称的稳定光源。

3.根据权利要求1所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于：所述LED环状光源的3个环状光源带从上至下依次为第一环状光源、第二环状光源和第三环状光源，所述第一环状光源提供多波长的调制测量光，第二环状光源提供多波长的光化光，第三环状光源提供多波长的饱和脉冲光。

4.根据权利要求3所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，所述LED环状光源光强可调，利用脉宽调制技术实现第一环状光源提供的测量光的光强可调，利用脉冲幅度调制技术实现第二环状光源和第三环状光源提供的光化光、饱和脉冲光的光强可调。

5.根据权利要求1所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，荧光探测模块中，所述带通滤光片中心波长为685nm，带宽为40nm；所述光电探测器为硅PIN光电二极管。

6.根据权利要求1所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，所述微控电路模块中，MCU主控电路采用STM32L151作为主控芯片，恒流驱动电路采用MAX16823作为LED驱动芯片。

7.根据权利要求1所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，所述微控电路模块中，MCU主控电路将各激发波长对应的荧光强度与预存的不同浮游植物荧光特性数据进行比较，分析所测水域浮游植物分布状况，然后查询预存的浮游植物生物量与荧光强度对应关系表格，计算浮游植物生物量，再根据叶绿素荧光诱导曲线测量过程中获得的基础参数，按照叶绿素荧光参数计算公式，计算光化学效率相关参数，表征其生理活性。

8.根据权利要求1所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，由所述MCU主控电路控制所述电动推杆上下伸缩，带动所述滑块、所述固定杆和所述底盖上下联动。

9.根据权利要求1所述的基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，其特征在于，所述底盖的中心向上凸起且凸起大小与所述圆柱形水样池下底面开口匹配，在底盖闭合时凸起部分嵌入所述圆柱形水样池底部并通过密封胶圈胶合。